Collision Avoidance and Geofencing for Fixed-wing Aircraft with Control Barrier Functions

要約

安全性の高い障害は、多くの場合、航空宇宙制御に致命的な結果をもたらします。
したがって、航空機の制御システムは、安全な行動を正式に保証することで、安全性の制約の厳格な満足度を確保する必要があります。
このペーパーでは、衝突回避とジオフェンシングタスクにおける固定翼航空機の安全性が批判的な制御を確立します。
ランタイム保証（RTA）システムが、他の航空機と衝突したり、宇宙の境界（ジオフェンス）を横切るのを防ぐために、航空機の公称飛行コントローラーを変調する制御フレームワークが開発されています。
RTAは、安全な動作を正式に保証するコントロールバリア関数（CBF）を使用した安全フィルターとして策定されます。
CBFは構築され、非線形の運動学的固定翼航空機モデルと比較されます。
提案されているCBFベースのコントローラーは、運動モデルのシミュレーションと高忠実度の動的モデルで示されるように、同時衝突回避とジオフェンシングを安全に実行する能力を示しています。

要約(オリジナル)

Safety-critical failures often have fatal consequences in aerospace control. Control systems on aircraft, therefore, must ensure the strict satisfaction of safety constraints, preferably with formal guarantees of safe behavior. This paper establishes the safety-critical control of fixed-wing aircraft in collision avoidance and geofencing tasks. A control framework is developed wherein a run-time assurance (RTA) system modulates the nominal flight controller of the aircraft whenever necessary to prevent it from colliding with other aircraft or crossing a boundary (geofence) in space. The RTA is formulated as a safety filter using control barrier functions (CBFs) with formal guarantees of safe behavior. CBFs are constructed and compared for a nonlinear kinematic fixed-wing aircraft model. The proposed CBF-based controllers showcase the capability of safely executing simultaneous collision avoidance and geofencing, as demonstrated by simulations on the kinematic model and a high-fidelity dynamical model.

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